JP4366257B2 - 摩擦撹拌接合装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数個の部材が積層されて形成された積層部を接合するための摩擦撹拌接合装置に関する。

部材同士を積層させ、その積層部を接合する方法としては、スポット溶接が一般的であるが、近年、摩擦撹拌接合によって接合することが提案されている。そのように一部分を摩擦撹拌接合する摩擦撹拌接合装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものが挙げられる。

図５に概略を示すこの種の摩擦撹拌接合装置１は、摩擦撹拌接合用工具２を回転動作させる回転動作用モータ（図示せず）と、該摩擦撹拌接合用工具２を図５における上下方向に直進的に変位させる変位モータ（図示せず）とを有する。なお、回転動作用モータはケーシング３内に収容されており、変位モータはサブケーシング４内に収容されている。すなわち、摩擦撹拌接合装置１においては、摩擦撹拌接合用工具２及び回転動作用モータが同一軸線上に配置されている。

この摩擦撹拌接合装置１で摩擦撹拌接合を行うに際しては、下方に配置された受部５に積層部６を載置し、回転動作する摩擦撹拌接合用工具２を前記変位モータの作用下に積層部６に指向して下降動作させ、最終的に該摩擦撹拌接合用工具のプローブを積層部６に埋没させる。この埋没に伴って、積層部６の肉が撹拌される。換言すれば、肉が塑性流動される。

特許第３４２９４７５号公報

上記したように、摩擦撹拌接合用工具２及び回転動作用モータを同一軸線上に配置した場合、積層する部材が図５に実線Ｌ１で示したような形状であれば摩擦撹拌接合を容易に実施することができる。しかしながら、部材が仮想線Ｌ２や仮想線Ｌ３で示すような形状を有している場合、該部材がケーシング３等に干渉するため、接合しようとする積層部６を摩擦撹拌接合用工具２の下方に配置することが困難となるという不具合が生じる。

また、積層された部材同士の間に間隙が残留した状態であると、摩擦撹拌接合を行う際、図６に示すように、摩擦撹拌接合用工具２の角部が押圧して摺接する上側のワークＷの肉厚が小さくなり、場合によっては孔部が形成されてしまう。このため、上側のワークＷの強度が低下するという不具合が惹起される。

さらに、この場合、積層部６を載置する受部５が平坦であるため、該積層部６の上端面側からプローブ７が埋没されて肉が塑性流動を起こしても、その肉が下端面側から突出することはできない。すなわち、プローブ７を埋没させても肉が流動し難いので、プローブ７を埋没させた分の肉が上端面側にバリとして流出することになる。従って、バリを切削する仕上げ工程が必要となるとともに、プローブ７を埋没させた箇所の肉厚が小さくなるので、積層部６の接合強度が十分でなくなるという不具合を招く。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、接合する部材と干渉することを回避することが可能であり、しかも、部材の肉厚を減少させることを回避することも可能であり、また、接合強度が優れた積層部が得られる摩擦撹拌接合装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置であって、
端部に前記積層部を載置するための載置部材が設けられた第１アームと、
ガイド部材を介して前記第１アームに連結された第２アームと、
前記第２アームの先端部に配設された摩擦撹拌接合用工具と、
前記第２アームに回転可能及び変位可能に設けられ、且つ、回転動作することで前記第１アームに対して接近又は離間する方向に変位することによって、前記第２アームを前記ガイド部材に案内させながら前記第１アームに接近又は離間する方向に変位させる回転部材と、
前記回転部材と前記摩擦撹拌接合用工具とを同期して回転動作させるためのベルト部材と、
前記回転部材を回転動作させる変位回転手段と、
を有することを特徴とする。

本発明においては、摩擦撹拌接合用工具が該摩擦撹拌接合用工具を回転動作させる回転手段から離間した位置に配設されている。換言すれば、摩擦撹拌接合用工具と回転手段とが同一軸線上に配設されていない。このような構成とすることにより、摩擦撹拌接合装置の長手方向の寸法が小さくなる。このため、ワークが摩擦撹拌接合装置に干渉することを回避することができる。換言すれば、摩擦撹拌接合を施すことができるワークの種類が増大する。

なお、この場合、回転手段がベルト部材を介して摩擦撹拌接合用工具を回転動作させるので、回転手段から離間した摩擦撹拌接合用工具を容易に回転動作させることができる。

本発明によれば、摩擦撹拌接合用工具が工具回転動作手段から離間した位置に配設されるので、積層されたワークの形状に関わらず、該ワークと摩擦撹拌接合装置とが干渉することを回避することができる。

以下、本発明に係る摩擦撹拌接合装置につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置の概略全体縦断面図を図１に示す。この摩擦撹拌接合装置１０は、図示しない多関節ロボットのアームの先端に連結されることによって位置決め固定された第１アーム１２と、該第１アーム１２に対して接近又は離間する第２アーム１４と、第１アーム１２と第２アーム１４とを連結するガイドバー１６ａ、１６ｂと、第２アーム１４の先端部に配設された摩擦撹拌接合用工具１８と、第２アーム１４を該第１アーム１２に対して接近又は離間させるためのロッド２０と、このロッド２０を回転動作させて摩擦撹拌接合用工具１８を変位させるとともに回転動作させるための変位回転モータ２４とを有する。

第１アーム１２は、図１の右方に向かうにつれて幅が徐々に大きくなる長尺部２８と、断面略台形状のエルボ部３０とを有し、このうち、長尺部２８の図１における左端部には、図２に示すように、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とを積層して形成された積層部３２を載置するための載置部材３４が位置決め固定されている。そして、この載置部材３４の上端面略中央部には、中空円筒体形状の凹部３６が設けられている。

一方、エルボ部３０には貫通孔３８ａ、３８ｂが設けられており、各貫通孔３８ａ、３８ｂには、ガイドバー１６ａ、１６ｂの小径部４０ａ、４０ｂが通されている。また、エルボ部３０の下端面には、貫通孔３８ａ、３８ｂに連通する凹部４２ａ、４２ｂが設けられており、これら凹部４２ａ、４２ｂに挿入されたボルト４４ａ、４４ｂは、小径部４０ａ、４０ｂの先端部に螺合されている。すなわち、小径部４０ａ、４０ｂがボルト４４ａ、４４ｂの頭部で堰止されることにより、該小径部４０ａ、４０ｂの貫通孔３８ａ、３８ｂからの抜け止めがなされている。

第２アーム１４の左端部における第１アーム１２を臨む側の端面に設置された摩擦撹拌接合用工具１８は、図２に示すように、回転体４８と、該回転体４８の先端に設けられてねじ部５０を有するプローブ５２とを具備し、このうち、回転体４８はロッド２０に連結されている。また、プローブ５２としては、その直径が凹部３６の開口径に比して小さいものが選定される。

摩擦撹拌接合用工具１８の周囲には、その下端面で積層部３２を押圧する押圧部材５６が配置されている。換言すれば、摩擦撹拌接合用工具１８は、押圧部材５６によって囲繞されている。勿論、押圧部材５６の下端面には貫通孔５８が設けられており、摩擦撹拌接合用工具１８のプローブ５２は、この貫通孔５８から突出する。

押圧部材５６の先端部の直径は、必要以上に広範囲に積層部３２を押圧して上側の第２ワークＷ２に設けられた湾曲部Ｒや屈曲部等を平坦にすることを回避するべく、中腹部に比して小さく設定されている。すなわち、押圧部材５６には、小径部６０と大径部６２とが設けられている。

大径部６２の上端部には、該上端部が直径外方向に指向して屈曲されることによって環状段部６４が設けられている。この環状段部６４は、コイルスプリング６６を収容するスプリングカバー６８の下端部に設けられた環状堰止部７０によって堰止され、これにより、押圧部材５６のスプリングカバー６８からの抜け止めがなされている。

回転体４８は、回転体カバー７２に収容されている。この回転体カバー７２の上端部には、該回転体カバー７２の長手方向（鉛直方向）から水平方向に指向して屈曲形成された環状連結代７４が設けられており、該環状連結代７４は、図示しないボルトによってスプリングカバー６８の側周壁に連結固定されている。

回転体カバー７２と回転体４８の上部との間にはベアリング７６が介装されており、このベアリング７６が存在することによって、回転体カバー７２やスプリングカバー６８が回転動作することが防止される。なお、図２中、参照符号７８は、ブッシュを示す。

前記コイルスプリング６６の下端部は押圧部材５６における環状段部６４の上端面に着座し、一方、上端部は回転体カバー７２における環状連結代７４の下端面に着座している。従って、押圧部材５６は、コイルスプリング６６によって第１アーム１２側に指向して弾発付勢されている。なお、上記したように、押圧部材５６の環状段部６４がスプリングカバー６８の環状堰止部７０で堰止されることによって、押圧部材５６のスプリングカバー６８からの抜け止めがなされている。

回転体４８の上部は、該回転体４８に比して大径な回転軸８０に連結されている。また、この回転軸８０の側周壁には、タイミングベルト８２が巻回された小プーリ８４が嵌合されている。

なお、回転軸８０は、第２アーム１４の左端部に設けられた貫通孔８６に挿入されている。回転軸８０と第２アーム１４との間にはベアリング８８が介装されており、このため、回転軸８０の回転動作が第２アーム１４によって妨げられることはない。

第２アーム１４において、第１アーム１２のエルボ部３０の貫通孔３８ａ、３８ｂに対応する部位には貫通孔９０ａ、９０ｂが設けられており、これら貫通孔９０ａ、９０ｂには、ブッシュ９２及びベアリング９４を介して前記ガイドバー１６ａ、１６ｂが通されている。

また、貫通孔９０ａ、９０ｂの間には、さらに貫通孔９６が設けられており、この貫通孔９６には、ベアリング９８を介して前記ロッド２０が通されている。そして、貫通孔９６から突出したロッド２０の先端面には、ボルト１００を介して大プーリ１０４が連結されている。前記タイミングベルト８２は、この大プーリ１０４に巻回されている。

ここで、ロッド２０の先端部及び略中腹部の双方には、大径部１０６、１０８がそれぞれ突出形成されており、これら大径部１０６、１０８によって、第２アーム１４における貫通孔９６の両開口部近傍の部位が挟持されるに至る。

第２アーム１４の右端部上方には、前記ガイドバー１６ａ、１６ｂを介してケーシング１１０が連結されている。すなわち、ケーシング１１０は、上部がテーパ状に縮径した大径部１１２を有し、ガイドバー１６ａ、１６ｂは、該大径部１１２に設けられた貫通孔１１４ａ、１１４ｂに挿入されている。そして、大径部１１２のテーパ面には凹部１１６ａ、１１６ｂが設けられており、該凹部１１６ａ、１１６ｂに挿入されたボルト１１８ａ、１１８ｂがガイドバー１６ａ、１６ｂの頭部に螺合されている。

なお、ガイドバー１６ａ、１６ｂには、貫通孔１１４ａ、１１４ｂに比して大径のワッシャ１２０ａ、１２０ｂが嵌合されており、該ワッシャ１２０ａ、１２０ｂがケーシング１１０を堰止することによって該ケーシング１１０が位置決めされている。

また、ケーシング１１０とロッド２０の上端部との間には、リニアロータリブッシュ１２２とベアリング１２４とが介装されている。このうち、リニアロータリブッシュ１２２の上端面は前記変位回転モータ２４に連結されており、従って、リニアロータリブッシュ１２２は、該変位回転モータ２４が回転付勢されることに伴って、ロッド２０、ひいては大プーリ１０４とともに回転動作する。

中空円柱体であるロッド２０は、ケーシング１１０の内部でねじ用ナット１３０が回転動作することに伴って下降・上昇動作する。すなわち、ねじ１３１にはねじ用ナット１３０のねじ部１３２が通されており、該ねじ用ナット１３０の連結代１３４がロッド２０の上端部に連結されている。このため、ねじ用ナット１３０が回転動作してねじ１３１に案内されながら下降・上昇動作することによって、該ねじ用ナット１３０の連結代１３４に連結されたロッド２０が下降・上昇動作する。

ねじ１３１は、その上端部がケーシング１１４に連結固定されており、このため、該ねじ１３１が回転動作することはない。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

多関節ロボットは、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが積層された積層部３２まで摩擦撹拌接合装置１０を移動させ、該積層部３２を、載置部材３４と摩擦撹拌接合用工具１８のプローブ５２との間に配置させる。この際、摩擦撹拌接合用工具１８が、変位回転モータ２４から離間して配置されているので、図３に仮想線で示すような形状のワークを接合する場合であっても、該ワークが摩擦撹拌接合装置１０に干渉することがない。このように、摩擦撹拌接合用工具１８を、変位回転モータ２４の軸線から離間して配設することにより、摩擦撹拌接合するワークの形状の自由度が増加する。換言すれば、ワークの形状に関わりなく摩擦撹拌接合を実施することができるようになる。

なお、この場合、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２としては、ＪＩＳ記号の数字が５０００番台であるいわゆる５０００系のアルミニウムからなるものが選定される。

次に、変位回転モータ２４が回転付勢され、これによりねじ用ナット１３０が回転動作する。この回転動作に伴ってねじ用ナット１３０が下降動作し、その結果、該ねじ用ナット１３０に連結されたロッド２０が下降動作する。これに追従して、ロッド２０の両大径部に挟持された第２アーム１４がガイドバー１６ａ、１６ｂに案内されながら下降動作することによって、該第２アーム１４が第１アーム１２に指向して接近する。最終的に、積層部３２は、図２及び図３に示すように、載置部材３４と押圧部材５６とで挟持され、この際に載置部材３４の凹部３６を覆う。

ロッド２０の下降動作がさらに続行されると、積層部３２によって押圧部材５６が押圧される。これによりコイルスプリング６６（図２参照）が収縮されて押圧部材５６が上昇動作し、その結果、摩擦撹拌接合用工具１８のプローブ５２が押圧部材５６の貫通孔に到達する。

その一方で、変位回転モータ２４が回転付勢されることにより、該変位回転モータ２４に連結されているリニアロータリブッシュ１２２が回転動作することに追従して大プーリ１０４が回転動作し、結局、該大プーリ１０４に巻回されたタイミングベルト８２を介して小プーリ８４（図２参照）、回転軸８０、及び摩擦撹拌接合用工具１８が回転動作する。

回転動作する摩擦撹拌接合用工具１８のプローブ５２が積層部３２の上端面に摺接することにより、該積層部３２に摩擦熱が発生する。このため、積層部３２におけるプローブ５２の当接箇所及びその近傍が軟化し、図３及び図４に示すように、プローブ５２が積層部３２に埋没する。その結果、積層部３２の肉が凹部３６に流入する。上記したように、凹部３６の水平断面の直径がプローブ５２の直径に比して大きいため、この流入は容易に進行する。

軟化した積層部３２の肉は、プローブ５２によって撹拌（塑性流動）される。この際、上記したように、積層部３２において、プローブ５２が埋没した分の肉が凹部３６に塑性流動するので、肉がプローブ５２の埋没箇所から隆起することがない。従って、バリが形成されることがない。このように、載置部材３４に凹部３６を設けることにより、バリを形成することなく積層部３２を摩擦撹拌接合することができる。このため、積層部３２の肉厚が小さくなることがないので、該積層部３２の接合強度が大きくなる。

しかも、この場合、図４に示すように、押圧部材５６の下端面で積層部３２を広範囲にわたって押圧しているので、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間の間隙が圧潰される。すなわち、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２との間に間隙が形成されないので、回転動作する摩擦撹拌接合用工具１８の回転体４８の角部が上側の第２ワークＷ２に摺接し難い。これにより、第２ワークＷ２に孔が形成されることを回避することができる。

このようにして摩擦撹拌接合が営まれると同時に、プローブ５２の埋没に伴って、第２ワークＷ２における第１ワークＷ１に臨む面に突出部１４２が形成されるとともに、第１ワークＷ１における第２ワークＷ２に臨む面に陥没部１４０が形成され、該陥没部１４０に前記突出部１４２が嵌合する。なお、陥没部１４０の下端部は、肉の塑性流動が行われない非撹拌部（塑性変形部）である。すなわち、塑性変形によって凹部３６に対応する形状に成形された陥没部１４０に突出部１４２が嵌合され、これによりいわゆるかしめ状態が設けられる。このように第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とでかしめ状態が形成されることによっても、積層部３２の接合強度が向上する。

撹拌を開始してプローブ５２が埋没した後、変位回転モータ２４を滅勢することによってプローブ５２の回転動作を停止し、これにより肉の塑性流動を停止させる。次に、変位回転モータ２４を上記とは逆方向に回転付勢して、ねじ用ナット１３０を逆回転動作させる。これによりねじ用ナット１３０、ひいてはロッド２０がガイドバー１６ａ、１６ｂに案内されながら上昇動作し、その結果、該ロッド２０の大径部１０６、１０８に挟持された第２アーム１４が上昇動作し、最終的に、該第２アーム１４が第１アーム１２から離間する方向に変位する。また、積層部３２から離間した押圧部材５６がコイルスプリング６６によって第１アーム１２側に弾発付勢され、元の位置に復帰する。

この間に積層部３２の肉が冷却固化され、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが一体的に固相接合されるに至る。このようにして接合された積層部３２における第１ワークＷ１側には、凹部３６に流入した肉が冷却固化することに伴って突出形成された円柱体形状の凸部が存在する。すなわち、この場合、該凸部の外径は、凹部３６の直径と略同一となる。

なお、上記した実施の形態においては、２個のワークを摩擦撹拌接合する場合を例示して説明したが、積層されるワークの個数は２個に限定されるものではなく、３個以上のワークを積層するようにしてもよい。

また、凹部３６の全空間に積層部３２の肉が充填される必要は特にない。

本実施の形態に係る摩擦撹拌接合装置の概略全体縦断面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置の要部拡大概略縦断面図である。 図１の摩擦撹拌接合装置が閉じて積層部が挟持された状態を示す概略全体縦断面図である。 摩擦撹拌接合用工具が回転して積層部が摩擦撹拌接合される状態を示す要部拡大概略縦断面図である。 従来技術に係る摩擦撹拌接合装置の概略全体側面図である。 図５の摩擦撹拌接合装置の要部拡大概略平面図である。

符号の説明

１０…摩擦撹拌接合装置 １２、１４…アーム
１６…ガイドバー １８…摩擦撹拌接合用工具
２０…ロッド ２４…変位回転モータ
３２…積層部 ３４…載置部材
３６…凹部 ５２…プローブ
５６…押圧部材 ６６…コイルスプリング
８２…タイミングベルト ８４、１０４…プーリ
１０６、１０８…大径部 １１０…ケーシング
１２２…リニアロータリブッシュ １３０…ねじ用ナット
１３１…ねじ Ｗ１、Ｗ２…ワーク

Claims (1)

1. 複数個の部材が積層されることによって形成された積層部を摩擦撹拌接合するための摩擦撹拌接合装置であって、
   端部に前記積層部を載置するための載置部材が設けられた第１アームと、
   ガイド部材を介して前記第１アームに連結された第２アームと、
   前記第２アームの先端部に配設された摩擦撹拌接合用工具と、
   前記第２アームに回転可能及び変位可能に設けられ、且つ、回転動作することで前記第１アームに対して接近又は離間する方向に変位することによって、前記第２アームを前記ガイド部材に案内させながら前記第１アームに接近又は離間する方向に変位させる回転部材と、
   前記回転部材と前記摩擦撹拌接合用工具とを同期して回転動作させるためのベルト部材と、
   前記回転部材を回転動作させる変位回転手段と、
   を有することを特徴とする摩擦撹拌接合装置。

Images